激光等离子体中原子的激发和辐射过程研究

论文摘要

Maker等人于1963年最早提出激光诱导击穿光谱的概念。近年来,激光等离子体物理学已经成为一门新兴的科学并取得了迅猛的发展。激光发射谱作为激光与物质相互作用的重要研究工具,对工业方面的应用,薄膜制备,重金属和土壤成分的测定等方面的应用都起着非常重要的作用。激光等离子体作为重要的光谱分析手段,由于它具有独特的多功能性,非接触式的快速插入检测功能以及能够适应各种实际变化问题的特殊要求等方面的特点。(1)激光诱导击穿光谱一个重要的作用就是它能够反映激光等离子体的特点。通过辐射的光谱我们可以获得等离子体的重要参数,例如,电子温度,电子密度等。因为等离子体的特征谱线和连续谱线依赖于这些重要的参数,通过改变条件提高等离子体应用的重要性表现的就比较明显。本文工作就是通过改变实验条件,具体来说是通过改变透镜距靶之间的距离来研究激光等离子体发射谱的激发和辐射特点。国内外通过改变这一条件来研究等离子体特点的工作还很少。在这篇文章中,我们选择铅(Pb)作为靶材,本文首先对Pb激光等离子体进行了光谱诊断,当等离子体为光学薄等离子体时,我们对等离子体的电子密度、电子温度和谱线强度进行了诊断。通过实验得到,发射谱谱线的最大强度值出现在透镜距靶之间的距离为6.1 cm处,然而最大的电子密度值出现在5.8 cm这个位置处。当等离子体为光学厚时,我们对等离子体的自吸收情况进行了分析。同时我们发现当透镜距靶之间的距离大于透镜的焦距时,所有的位置均出现了自吸收现象,这种现象我们认为是由于空气等离子体对Pb等离子体产生影响的结果。在研究过程中,取得了一些创新性的成果。本论文研究的主要内容和结果如下:研究了Pb I激光等离子体辐射机制及光谱强度随时间的演化特性,发现连续谱强度和特征谱线的强度都是随延迟时间呈现先增大后减小的趋势,我们认为这是由于连续光谱的发射机制是轫致辐射和复合辐射综合的结果。激光等离子体的消失过程并不仅仅是一个能量耗散的过程,而且还存在着能量的交换,即对另一些原子的再激发,特征谱的发射机制主要是碰撞激发,特别是高能电子的碰撞激发。(1)由理论分析和对激光等离子体谱线的Gauss及Lorentz拟合可知,激光等离子体的展宽机制主要是Stark展宽。我们用铅原子谱线PbⅠ373.995 nm的半高全宽。计算了等离子体的电子密度,得到电子密度随时间的延迟逐渐减小,最大电子密度值出现在5.8 cm这个位置处。(2)等离子体为光学厚时出现自吸收现象,通过实验研究发现透镜到靶之间的距离发生改变时对自吸收现象有影响,靶材离焦点较远时自吸收现象明显,并且当靶材位于焦点之后时的自吸收现象比靶材位于焦点之前时要明显的多。这是因为当靶材位于焦点之后时,空气等离子体对Pb等离子体的影响作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 等离子体概念以及分类
• 1.1.1 等离子体的概念
• 1.1.2 等离子体的分类
• 1.2 等离子体的应用
• 1.3 等离子体的诊断
• 1.3.1 静电探针法
• 1.3.2 光谱诊断法
• 1.3.3 激光诊断法
• 1.4 等离子体的辐射和吸收机制
• 1.4.1 等离子体的辐射机制
• 1.4.2 等离子体的吸收机制
• 1.4.3 等离子体的激发机制
• 1.5 铅材料简介以及铅等离子体的研究进展
• 1.6 本论文的主要内容及安排
• 第二章 铅激光等离子体发射谱分析
• 2.1 激光等离子体的实验装置
• 2.2 铅原子发射光谱的产生机制和时间演化
• 2.3 铅原子连续谱强度分析
• 2.4 铅原子谱线的自吸收简析
• 2.5 能量对等离子体光谱强度影响的分析
• 第三章 铅激光等离子体电子温度和电子密度研究
• 3.1 激光等离子体光谱诊断方法
• 3.1.1 激光等离子体电子密度的测定方法
• 3.1.2 激光等离子体电子温度的测定方法
• 3.2 铅激光等离子体的电子密度的诊断
• 3.3 铅激光等离子体的电子温度的测定
• 第四章 铅激光等离子体自吸收现象分析
• 4.1 自吸收形成原理
• 4.2 透镜到靶之间距离的改变对自吸收的影响
• 4.3 能量对自吸收现象的影响
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间完成的论文
• 致谢